Điều khiển ổn định hóa quadrotor bằng phương pháp điều khiển trượt

TÓM TẮT Mô hình quadrotor được thiết kế bởi 4 cánh quạt được gắn trên 4 động cơ nằm ở 4 góc của một khung chữ thập được gọi là thiết bị bay không người lái UAVs.. Trong luận văn, mô hình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM VĂN NGHĨA

ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HÓA QUADROTOR BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

S K C0 0 4 6 9 5

ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HÓA QUADROTOR BẰNG PHƯƠNG

PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Ngày, tháng, năm sinh: 10 / 05 / 1990 Nơi sinh: Quảng Ngãi

Quê quán: Tp Quảng Ngãi, Quảng Ngãi Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Số 117, đường Đình Phong Phú, Phường Tăng Nhơn Phú B, Quận 9, Tp HCM

Điện thoại riêng: 0983.996.008

E-mail: nghiaspkt08@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Ngành học: Điện Công Nghiệp

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống BMS cho một

phần trung tâm điều trị theo yêu cầu và quốc tế - Bệnh viện TW Huế

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 07/2012, ĐH SPKT

Tp.HCM

Người hướng dẫn: ThS NGUYỄN PHAN THANH

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC:

10/2012 – 5/2014 Công ty cổ phần công nghiệp

01/2015 - Nay Trường CĐKT Cao Thắng Giảng viên Bộ Môn Điện

Công Nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2015

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

CẢM TẠ

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu, tôi đã thực hiện xong luận văn thạc

sĩ được giao Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, cán bộ công nhân viên nhà trường đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học cao hoc

Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo Khoa Điện – Điện Tử, các Quý Thầy Cô đã tận tình hướng dẫn cho tôi những kiến thức quý báu như ngày hôm nay Những kiến thức ấy không chỉ cần trong công việc chuyên môn mà còn là bài học thiết thực giúp tôi hoàn thiện nhân cách của mình

Với lòng tri ân sâu sắc, tôi muốn nói lời cảm ơn đến Thầy PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA, người đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài nghiên cứu này

Cảm ơn gia đình và những người thân đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu này

Cuối cùng, tôi xin kính chúc Quý Thầy Cô luôn dồi dào sức khỏe để hoàn thành tốt công việc trong sự nghiệp giảng dạy của mình

Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 09 năm 2015

Người thực hiện luận văn

Phạm Văn Nghĩa

TÓM TẮT

Mô hình quadrotor được thiết kế bởi 4 cánh quạt được gắn trên 4 động cơ nằm

ở 4 góc của một khung chữ thập được gọi là thiết bị bay không người lái UAVs Quadrotor là một trong những loại thiết bị bay được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực thăm dò, thương mại và các ứng dụng ngoài trời Tuy nhiên, để kiểm soát ổn định hay điều khiển quadrotor là rất khó khăn bởi vì quadrotor là một hệ thống phi tuyến

Trong luận văn, mô hình toán học của quadrotor được trình bày một cách chi tiết Các phương trình động học và động lực học của quadrotor được xây dựng bằng phương pháp Newton-Euler Sự chuyển động của quadrotor có thể được chia thành hai hệ thống con: hệ thống góc xoay (các góc nghiêng (roll), góc lật (pitch), góc xoay (yaw)) và một hệ thống dịch chuyển (độ cao Z, và vị trí X, Y)

Trong luận văn này, tác giả trình bày một phương pháp thiết kế luật điều khiển

là phương pháp trượt Chúng ta sẽ quan tâm đến mô hình vật lý phức tạp của quadrotor Đối với mô hình quadrotor trong luận văn này, ta tiến hành thiết kế một

bộ điều khiển trượt ổn định và chính xác để thực hiện việc điều khiển quadrotor là tốt nhất Để ổn định hệ thống trên thì mỗi chế độ điều khiển trượt được thiết kế dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov Ưu điểm của phương pháp điều khiển trượt là không nhạy cảm với sự biến đổi của những thông số trong hệ thống, ở ngoài trạng thái động và những điểm lỗi

ABSTRACT

Four rotor micro aerial robots, so called quadrotor UAVs, are one of the most preferred type of unmanned aerial vehicles for near-area surveillance and exploration both in military and commercial in- and outdoor applications The reason is the very easy construction and steering principle using four rotors in a cross configuration However, stabilizing control and guidance of these vehicles is

a difficult task because of the nonlinear dynamic behavior

This thesis work presents a detailed mathematical model for quadrotor The nonlinear dynamic model of the quadrotor is formulated using the Newton-Euler method The motion of the quadrotor can be divided into two subsystems; a rotational subsystem (roll, pitch, yaw) and a translational subsystem (altitude and x and y motion)

This thesis work presents a design method for attitude control of an autonomous quadrotor based Sliding Mode Control We are interested in the dynamic modeling of quadrotor because of it complexity The dynamic model is used to design a stableand accurate controller to perform the best tracking and attitude results To stabilize the overall systems, each Sliding Mode Controller is designed based on the Lyapunov stability theory The advantage of sliding mode control is its not being sensitive to model errors, parametric uncertainties and other disturbances Lastly, we show that the control law has a good robust and good stability

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN ii

CẢM TẠ iii

TÓM TẮT iv

ABSTRACT v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC KÝ HIỆU x

DANH SÁCH CÁC HÌNH xii

DANH SÁCH CÁC BẢNG xvi

CHƯƠNG 1 1

TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Lịch sử phát triển quadrotor và các công trình liên quan nổi bật 2

1.2.1 Lịch sử phát triển quadrotor 2

1.2.2 Công trình liên quan nổi bật 4

1.2.2.1 Mô hình Mesicopter 5

1.2.2.2 X4-flyer (ANU) 5

1.2.2.3 MD4-200 (microDrones GmbH) 6

1.2.3 Các phương pháp điều khiển quadrotor 6

1.3 Mục đích nghiên cứu 7

1.4 Nhiệm vụ đề tài nghiên cứu 7

1.5 Phương pháp nghiên cứu 9

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 9

1.6.1 Ý nghĩa khoa học 9

1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn 9

1.7 Tóm lược nội dung luận văn 10

CHƯƠNG 2 11

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của quadrotor 11

2.1.1 Cấu tạo quadrotor 11

2.1.2 Nguyên lý hoạt động quadrotor 11

2.1.2.1 Trạng thái lơ lửng (Hover) 13

2.1.2.2 Trạng thái bay lên xuống (Throttle) 13

2.1.2.3 Trạng thái nghiêng trái / phải ( Roll ) 14

2.1.2.4 Trạng thái lật trước / sau ( Pitch ) 15

2.1.2.5 Trạng thái xoay qua trái / phải (Yaw) 15

2.2 Mô hình hóa quadrotor 16

2.2.1 Tổng quan về hệ quy chiếu trên thân quadrotor 16

2.2.2 Động học quadrotor 18

2.2.2.1 Ma trận xoay R 19

2.2.2.2 Ma trận tịnh tiến 𝐓𝚯 20

2.2.2.3 Ma trận tổng quát 𝐉𝚯 21

2.2.2.4 Mối liên hệ giữa các vector động học quadrotor trong các hệ tọa độ ………21

2.2.3 Động lực học quadrotor 22

CHƯƠNG 3 30

XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG 30

3.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển trượt 30

3.1.1 Đặc điểm điều khiển trượt 30

3.1.2 Nguyên lý điều khiển trượt 32

3.1.2.1 Điều khiển trượt bám 32

3.1.2.2 Ổn định hóa (regulation) 36

3.2 Xây dựng luật điều khiển trượt cho mô hình quadrotor 38

3.2.1 Luật điều khiển góc 40

3.2.1.1 Luật điều khiển góc nghiêng roll 41

3.2.1.2 Luật điều khiển góc lật pitch 41

3.2.1.3 Luật điều khiển góc xoay yaw 42

3.2.2 Luật điều khiển độ cao 42

3.3 Mô phỏng quadrotor bằng phần mền Matlab 43

3.3.1 Xây dựng mô hình quadrotor trong Simulink 43

3.3.1.1 Thông số mô hình quadrotor 43

3.3.1.2 Sơ đồ khối quadrotor 46

3.3.1.3 Khối quadrotor Dynamics 47

3.3.1.4 Khối System Input Calculation 47

3.3.1.5 Khối Motor Speed Caculation 48

3.3.1.6 Luật điều khiển U 1 48

3.3.1.7 Luật điều khiển U 2 , U 3, U 4 49

3.3.2 Kết quả mô phỏng 49

3.3.2.1 Thông số mong muốn trường hợp tổng quát 49

3.3.2.2 Thông số mong muốn bảng 3.3 ( quadrotor ở trạng thái lơ lửng ) ………56

3.3.2.3 Thông số mong muốn bảng 3.4 ( quadrotor ở trạng thái bay lên theo hàm bậc nhất) 63

3.3.3 Nhận xét kết quả mô phỏng 71

CHƯƠNG 4 72

THI CÔNG MÔ HÌNH QUADROTOR 72

4.1 Sơ đồ khối tổng thể quadrotor 72

4.2 Thành phần trong các khối 73

4.2.1 Khung quadrotor 73

4.2.2 Động cơ điều khiển quadrotor (Brushless motor) và bộ ESC 76

4.2.3 Cảm biến độ nghiêng MPU 9150 79

4.2.4 Vi điều khiển STM32F4 DISCOVERY 82

4.2.5 Pin LIPO 83

4.2.6 Tay cầm FS – T6 và bộ thu FS – R6B 84

4.3 Sơ đồ kết nối phần cứng 86

4.4 Thử nghiệm mô hình quadrotor 88

4.4.1 Giải thuật điều khiển quadrotor 88

4.4.1.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển quadrotor 88

4.4.1.2 Giải thuật điều khiển trên ARM 90

4.4.2 Giao diện giám sát quadrotor 90

4.4.3 Kết quả thử nghiệm mô hình quadrotor 94

4.4.4 Đánh giá mô hình quadrotor 96

4.4.4.1 Độ cao và tốc độ của quadrotor 97

4.4.4.2 Góc nghiêng 98

4.4.4.3 Tốc độ đáp ứng và khả năng giao tiếp giữa quadrotor với tay cầm ………98

CHƯƠNG 5 99

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 99

5.1 Kết quả đạt được 99

5.2 Những hạn chế chưa đạt được và hướng khắc phục 100

5.3 Hướng phát triển đề tài 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

PHỤ LỤC 1 103

GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN QUADROTOR 103

1 Khai báo, khởi tạo biến và thiết lập thông số cho vi điều khiển hoạt động ……… ………103

2 Chương trình đọc tín hiệu từ bộ nhận sóng RF 104

3 Chương trình đọc tín hiệu từ cảm biến và xử lý tín hiệu từ cảm biến 104

4 Thuật điều khiển trượt điều khiển quadrotor 105

𝜞𝐸 m Vector vị trí dài theo hệ quy chiếu E

𝛩𝐸 rad Vector vị trí góc theo hệ quy chiếu E

𝙑𝐸 m/s Vector vận tốc dài theo hệ quy chiếu E

𝙑𝐵 m/s Vector vận tốc dài theo hệ quy chiếu B

𝝎𝐵 rad/s Vector vận tốc góc theo hệ quy chiếu B

𝝃 - Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu E

𝝑 - Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu B

𝜻 - Vector vận tốc tổng quát theo hệ quy chiếu H

𝑭𝐺𝐸 N Vector lực hấp dẫn theo hệ quy chiếu E

𝑭𝐺𝐵 N Vector lực hấp dẫn theo hệ quy chiếu B

𝑮𝐵(𝝃) - Vector hấp dẫn theo hệ quy chiếu B

𝑈𝐵 - Vector chuyển động theo hệ quy chiếu B

𝑬𝐻(𝝃) - Ma trận chuyển động theo hệ quy chiếu H

𝑴𝐵 - Ma trận quán tính hệ thống theo hệ quy chiếu B

𝑴𝐻 - Ma trận quán tính hệ thống theo hệ quy chiếu H

𝑶𝐵(𝝑) - Ma trận cánh quạt hồi chuyển theo hệ quy chiếu B

𝑶𝐻(𝜻) - Ma trận cánh quạt hồi chuyển theo hệ quy chiếu H

𝑪𝐵(𝝑) - Ma trận Coriolis hướng tâm theo hệ quy chiếu B

𝑪𝐻(𝜻) - Ma trận Coriolis hướng tâm theo hệ quy chiếu H

IXX kg.m2 Mô men quán tính theo trục X

IYY kg.m2 Mô men quán tính theo trục Y

IZZ kg.m2 Mô men quán tính theo trục Z

 Nm/N Hệ số tỷ lệ giữa mô men động cơ và lực động cơ

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1 Breguet – Richet Gyroplane No 1 Trang 2 Hình 1.2 Quadrotor của Etienne Oemichen Trang 3 Hình 1.3 Bạch tuột bay Trang 3 Hình 1.4 Draganflyer X-Pro Trang 4 Hình 1.5 Mô hình Mesicopter Trang 5 Hình 1.6 X4-flyer (ANU) Trang 5 Hình 1.7 MD4-200 (microDrones GmbH) Trang 6 Hình 2.1 Mô hình quadrotor Trang 11 Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của quadrotor Trang 12 Hình 2.3 Hệ trục tọa độ đặt trên quadrotor Trang 12 Hình 2.4 Trạng thái lơ lửng (Hover) Trang13 Hình 2.5 Trạng thái bay lên / xuống ( Throttle ) Trang14 Hình 2.6 Trạng thái nghiêng trái / phải ( Roll ) Trang14 Hình 2.7 Trạng thái lật trước / sau ( Pitch ) Trang15 Hình 2.8 Trạng thái xoay trái / phải ( Yaw ) Trang16 Hình 2.9: Vị trí dài và vị trí góc của quadrotor Trang17 Hình 2.10 Hệ quy chiếu quán tính và vật thể (Kivrak, A, 2006) Trang18 Hình 2.11 Lực và moment tác động lên quadrotor Trang22 Hình 3.1 Trạng thái quỹ đạo trong điều khiển trượt Trang31 Hình 3.2 Quỹ đạo pha lý tưởng của hệ bậc 2

chuyển động trên mặt phẳng trượt về gốc tọa độ Trang31

Hình 3.3 Quỹ đạo pha thực tế dao động Trang 35 Hình 3.4 Sơ đồ khối luật điều khiển góc quadrotor Trang 40 Hình 3.5 Sơ đồ khối luật điều khiển độ cao quadrotor Trang 42 Hình 3.6 Sơ đồ khối quadrotor Trang 46 Hình 3.7.Khối quadrotor Dynamics Trang 47 Hình 3.8.Khối System Input Calculation Trang 47 Hình 3.9.Khối System Input Calculation Trang 48 Hình 3.10.Luật điều khiển U1 Trang 48

Hình 3.11.Luật điều khiển U2, U3, U4 Trang 49

Trường hợp tổng quát(Từ hình 3.12 đến 3.23) Hình 3.12.Mặt trượt góc nghiêng Roll Trang 50 Hình 3.13.Đáp ứng góc nghiêng Roll Trang 50 Hình 3.14.Mặt trượt góc Pitch Trang 51 Hình 3.15.Đáp ứng góc lật Pitch Trang 51 Hình 3.16.Mặt trượt góc xoay Yaw Trang 52 Hình 3.17.Đáp ứng góc xoay Yaw Trang 52 Hình 3.18.Mặt trượt độ cao z Trang 53 Hình 3.19.Đáp ứng góc độ cao z Trang 53 Hình 3.20.Tọa độ quadrotor trong không gian Trang 54 Hình 3.21.Tốc độ đáp ứng của 4 động cơ quadrotor Trang 54 Hình 3.22.Đáp ứng theo phương Ox của quadrotor Trang 55 Hình 3.23.Đáp ứng theo phương Oy của quadrotor Trang 56

Trạng thái lơ lửng (Từ hình 3.24 đến 3.35) Hình 3.24 Mặt trượt góc nghiêng Roll Trang 57 Hình 3.25 Đáp ứng góc Roll Trang 57 Hình 3.26 Mặt trượt góc lật Pitch Trang 58 Hình 3.27 Đáp ứng góc lật Pitch Trang 58 Hình 3.28 Mặt trượt góc xoay Yaw Trang 59 Hình 3.29 Đáp ứng góc xoay Yaw Trang 59 Hình 3.30 Mặt trượt độ cao z Trang 60 Hình 3.31 Đáp ứng góc độ cao z Trang 60 Hình 3.32 Tọa độ quadrotor trong không gian Trang 61 Hình 3.33 Tốc độ đáp ứng của 4 động cơ quadrotor Trang 61 Hình 3.34 Đáp ứng theo phương Ox của quadrotor Trang 62 Hình 3.35 Đáp ứng theo phương Oy của quadrotor Trang 63

Trạng thái bay lên theo hàm bậc nhất(Từ hình 3.36 đến 3.47)

Hình 3.36 Mặt trượt góc nghiêng Roll Trang 64 Hình 3.37 Đáp ứng góc Roll Trang 64

Hình 3.39 Đáp ứng góc lật Pitch Trang 65 Hình 3.40 Mặt trượt góc xoay Yaw Trang 66 Hình 3.41 Đáp ứng góc xoay Yaw Trang 66 Hình 3.42 Mặt trượt độ cao z Trang 67 Hình 3.43 Đáp ứng góc độ cao z Trang 67 Hình 3.44 Tọa độ quadrotor trong không gian Trang 68 Hình 3.45 Tốc độ đáp ứng của 4 động cơ quadrotor Trang 69 Hình 3.46 Đáp ứng theo phương Ox của quadrotor Trang 70 Hình 3.47 Đáp ứng theo phương Oy của quadrotor Trang 70 Hình 4.1.Sơ đồ khối tổng thể quadrotor Trang 73 Hình 4.2 Khung quadrotor Tarot Iron man 650 TI65B01 Trang 75 Hình 4.3 Cánh quạt

RC Timer 14*5.5’’ Carbon Prop Set (2XCW,2XCCW) Trang 75

Hình 4.4 Motor Sunny Sky X3508S_29 Trang 76 Hình 4.5 Mô hình động cơ không chổi than Trang 78 Hình 4.6 ESC Platinum 30AOPTO-PRO Trang 78 Hình 4.7 Cảm biến độ nghiêng MPU 9150 Trang 80 Hình 4.8 Sơ đồ chân MPU 9150 Trang 80 Hình 4.9 Bo mạch STM32F4 Discovery Trang 82 Hình 4.10 Pin LIPO TURNIGY Trang 83 Hình 4.11 Tay cầm Flysky FS – T6 Trang 84 Hình 4.12 Bộ thu Flysky FS – R6B Trang 85 Hình 4.13 Khối tay cầm điều khiển và mô hình quadrotor Trang 86 Hình 4.14 Sơ đồ kết nối phần cứng của quadrotor Trang 87 Hình 4.15 Lưu đồ giải thuật điều khiển mô hình quadrotor Trang 89 Hình 4.16 Giao diện phần mềm STMStudio Trang 91 Hình 4.17 Giao diện giám sát góc

quadrotor khi quadrotor cân bằng Trang 91

Hình 4.18 Các góc quadrotor trong trường hợp nghiêng góc Roll Trang 92 Hình 4.19 Các góc quadrotor trong trường hợp lật góc Pitch Trang 92 Hình 4.20 Các góc quadrotor trong trường hợp xoay góc Yaw Trang 93